Введение к работе
Актуальность работы. Покрывное крашение является основным отделочным технологическим процессом, благодаря которому кожа приобретает красивый внешний вид, скрываются всевозможные пороки и дефекты поверхности кожи. Известно, что затраты на компоненты покрывного крашения составляют 50-60% от общих затрат на химические материалы для производства кож. В связи с этим повышение качества кож, вследствие улучшения качества покрывного крашения и снижение себестоимости продукции, за счет сокращения расхода дорогостоящих отделочных химических материалов, является перспективным направлением. Один из путей движения в данном направлении - это использование нетрадиционных методов модификации в технологии производства кож. Перспективным нетрадиционным методом модификации является применение плазмы высокочастотного (ВЧ) разряда пониженного давления, которое позволяет целенаправленно изменять структуру и за счет этого регулировать потребительские и эксплуатационные свойства натуральных материалов. Кроме того, плазменная технология относится к экологически безопасным методам обработки.
В связи с этим представляет интерес исследования возможности применения метода обработки покрывных композиций и их составов в потоке плазмы ВЧЕ- разряда пониженного давления.
Работа направлена на решение актуальной проблемы улучшения качества кож, за счет разработки покрывных композиций для отделки кож с применением неравновесной низкотемпературной плазмы.
Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в рамках научно-исследовательской работы по Федеральной целевой программе «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.г.» по теме «Развитие центра коллективного пользования научным оборудованием в области получения и исследования наночастиц оксидов металлов, металлов и полимеров с заданными химическим составом и формой» (2008-2009 гг.), а также по теме «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области модификации композитных материалов с использованием электрофизических, электрохимических, сверхкритических флюидных методов в центре коллективного пользования научным оборудованием «Наноматериалов и нанотехнологий» (2009-2010 г.г.).
Цель работы. Целью работы являлось разработка покрывных композиций с применением неравновесной низкотемпературной плазмы, позволяющих существенно улучшить механические показатели покрытия и качество кож в целом, а также снизить себестоимость продукции, за счет уменьшения расхода дорогостоящих отделочных материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ существующих способов улучшения качества покрывного крашения кож. Обоснование возможности модификации покрывных композиций, а также их составов в потоке высокочастотной емкостной плазмы пониженного давления.
2. Экспериментальные исследования изменения механических свойств пленок с целью улучшения физико-механических и гигиенических свойств кожи.
3. Разработка физической модели взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с покрывными композициями.
4. Создание модифицированных покрывных композиций с применением плазменной обработки и опытно-промышленной ВЧЕ плазменной установки.
Методы исследований. В работе для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики, их результаты сравнивались и сопоставлялись с известными экспериментальными и теоретическими данными других авторов.
Основными объектами исследований явились пленкообразователи, пигментные концентраты и закрепители различных классов и фирм производителей (Basf, TFL, Piel Color, Neotens, Sarchem, Clariant), а также готовая покрывная композиция фирмы TFL.
Изучение характеристик покрывных композиций и их составов с целью установления механизма воздействия потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления включало применение методов исследования механических свойств пленкообразователей и закрепителей, размера частиц пигментных концентратов, физико-механических и гигиенических свойств кож с покрытием. Для установления закономерностей влияния плазменной обработки на объекты исследования использовали следующие методы: ИК-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, метод синхронного термического анализа, электронная и атомно-силовая микроскопии.
Результаты измерений и исследований получены с применением методов математической статистики.
Научная новизна работы.
1. Впервые установлена возможность создания покрывных композиций для отделки кож с улучшенными механическими свойствами за счет:
- предварительной модификации потоком неравновесной низкотемпературной плазмы пигментного концентрата, в результате чего он усредняется по размерам и равномернее распределяется в полимерной матрице;
- конечной модификации покрывной композиции в целом, приводящей к дополнительным конформационным изменениям пленкообразователя, способствующим к его структурированию.
2. Установлено, что максимальный эффект по повышению механических характеристик пленкообразователей достигается при модификации их неравновесной низкотемпературной плазмой в твердом виде и не зависит от фирмы производителя, а определяется классом.
3. Установлена возможность повышения кроющей способности пигментных концентратов в 1,4-7раза, при обработке их неравновесной низкотемпературной плазмой, за счет измельчения частиц пигментного концентрата в 3-8 раз и усреднения их распределения по поверхности подложки.
4. Установлено, что при плазменной модификации покрывной композиции в целом в твердом виде происходит снижение дефектности покрытия, что подтверждается неизменностью модуля упругости пленки при одновременном повышении прочностных свойств пленки.
5. Разработана физическая модель взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с покрывными композициями, устанавливающая закономерности повышения прочности сцепления покрытия с подложкой и как следствие, приводящее к улучшению качества кож с покрытием.
6. Разработаны рекомендации создания покрывных композиций позволяющих существенно улучшить механические показатели покрытия и качество кож в целом, а также снизить себестоимость продукции, за счет применения неравновесной низкотемпературной плазмы.
Практическая ценность работы.
1. Разработаны покрывные композиции с применением плазменной обработки, позволяющие снизить себестоимость кожи, за счет сокращения расхода пигментных концентратов, а также улучшить механические показатели покрытия и качество кож в целом.
2. Установлены параметры плазменной обработки пленкообразователей, позволяющие повысить их механические характеристики: =3мин., P=26,6Па; G=0,04г/с, f=13,56МГц, плазмообразующий газ – аргон, при этом для алифатических полиуретанов Wp=0,32кВт, для акриловых полимеров Wp=0,7кВт, для полиуретанов Wp=0,1кВт.
3. Установлены параметры плазменной обработки пигментных концентратов, позволяющие повысить их кроющую способность: Wp=0,1кВт, t=3мин, P=26,6Па, G=0,04г/с, f=13,56МГц, плазмообразующий газ – аргон.
4. Определены режимы, при которых модификация кожи неравновесной низкотемпературной плазмой позволяет улучшить характеристики не только покрытия нанесенного на кожу, но и самой кожи, при этом режим модификации определяется классом пленкообразователя. Адгезионная прочность покрытия к коже после плазменной обработки, как с естественной, так и со шлифованной лицевой поверхностью увеличивается в 2,4–4 раза.
5. Разработаны рекомендации по применению плазменной обработки в технологии покрывного крашения кож, заключающееся в том, что целесообразнее проводить ВЧ-плазменную обработку при пониженном давлении двукратно: модификация пигментных концентратов при составлении покрывной композиции и модификация кожи с нанесенным покрытием.
6. Разработана опытно-промышленная ВЧ-плазменная установка, позволяющая проводить обработку неравновесной низкотемпературной плазмой пигментных концентратов, а также 20 полукож из шкур КРС или 60 кож из шкур овчин за одни цикл, в качестве плазмообразующего газа использовался аргон, рабочая частота 13,56 МГц.
Результаты диссертационной работы внедрены на ООО «Кожа и мех» (г. Казань).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментальных исследований воздействия потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на покрывные композиции для отделки кож показывающие возможность создания покрывных композиций с улучшенными механическими свойствами за счет предварительной модификации потоком неравновесной низкотемпературной плазмы пигментного концентрата, в результате чего он усредняется по размерам и равномернее распределяется в полимерной матрице и конечной модификации покрывной композиции в целом, приводящей к дополнительным конформационным изменениям пленкообразователя, способствующим к его структурированию.
2. Результаты экспериментальных исследований механических характеристик пленкообразователей, модифицированных неравновесной низкотемпературной плазмой в твердом виде не зависимо от класса и фирмы производителя. При этом прочность при разрыве увеличивается на 27-170%, а относительное удлинение на 5-80%.
3. Результаты экспериментальных исследований свойств пигментных концентратов, модифицированных неравновесной низкотемпературной плазмой, при этом происходит измельчение частиц пигментного концентрата в 3-8 раз и усреднение их распределения.
4. Результаты экспериментальных исследований влияния потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на кожу с покрытием, при этом улучшаются характеристики не только покрытия нанесенного на кожу, но и самой кожи. Адгезионная прочность покрытия к коже после плазменной обработки, как с естественной, так и со шлифованной лицевой поверхностью увеличивается в 2,4–4 раза.
5. Разработаны рекомендации по созданию покрывных композиций с улучшенными механическими свойствами и сокращенным расходом пигментных концентратов, за счет модификации их потоком неравновесной низкотемпературной плазмы.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в выборе и обосновании методики эксперимента; непосредственном участии в проведении экспериментов; участии в анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов, разработке физических закономерностей комплексного изменения свойств покрывных композиций и их составов при обработке потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления, разработке рекомендаций по промышленному использованию плазменной технологии.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на научной сессии КГТУ (Казань, 2008, 2009, 2010, 2011) и на международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности» (Казань, 2008, 2010, 2011).
Основные результаты работы изложены в 10 публикациях, из которых 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. В тексте приведены ссылки на 112 литературных источника. Работа изложена на 135 стр. машинописного текста, содержит 35 рисунков, 16 таблиц.
